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分析鋼筋混凝土梁中張拉裂縫產生的因素及有關
2011-01-28 00:00

1 概 況
  隨著時代發展預應力施工技術的進步和各種形式預應力鋼筋混凝土梁的大量應用,張拉設備施工中出現的裂縫問題變得非常常見、復雜而又難以控制。目前關于混凝土的亞微觀研究以及大量的工程實踐所提供的的經驗都說明:從混凝土結構的彈塑性、非均質性本質來說,內應力及殘余應力是必然存在的,因而混凝土梁在張拉過程中的細微裂縫的發展總是避免不了。微裂的擴展程度就是材料破損程度的標志,同時,微裂的存在也是材料本身固有的一中物理性質。
一般橋梁結構中,寬度小于0.05mm的裂縫是肉眼看不出來的,對于使用來說都無危險性,故所謂不允許裂縫設計,也只是相對的無大于0.05mm的初始裂縫的結構。可以認為,混凝土結構有裂縫是絕對的,無裂縫是相對的,所謂結構的防裂控制只是防止粗裂縫的產生,對于微裂,則只能根據施工中的具體情況,將其控制在一定的范圍內。

2 張拉產生裂縫分析
2.1 張拉裂縫的發生部位及特征
在后張法預應力梁體支座處、梁體或桿件的端部錨固區,經常見到一種順著預應力的裂縫。該型裂縫的最大寬度為1~2mm,長度為40~60cm。這種裂縫中間局部集中,呈現一梭形,稱為“張拉裂縫”(也稱為劈裂)。
對于先張法的預應力梁,在靠近中軸線處梁端面上經常出現一種水平裂縫,這種裂縫的最大寬度為0.5~2mm,長度為60~80cm。該型裂縫位于預加應力荷載的上部區域,大體與荷載軸線平行,稱為 “端面裂縫”。
2.2 張拉裂縫的成因
混凝土構件的裂縫成因不外乎以下兩種情況:
1、由外荷載(包括靜荷載、動荷載等)作用,主要應力或結構次應力(如彎矩和剪切)引起的裂縫;
2、由變形變化引起的荷載作用而導致的裂縫。
第二種情況的裂縫產生條件是結構首先要求變形,而且不是一個瞬時過程。顯然,張拉裂縫屬于第一種情況,即外荷載引起的裂縫。
2.3 張拉裂縫的力學模型分析
首先分析一下梁體端部局部錨固區的應力分布規律:
根據圣維南原理可忽略另一端影響,即假定另一端無限延伸,只考慮一端集中力引起的內力。預應力筋對梁體的作用就是預應力筋縮短時的某一變形受到混凝土梁約束,從而使混凝土梁體端部受一集中力N作用。為簡化計算,還近似地按平面問題忽略鋼筋彎起角,取平均厚度進行分析,同時考慮錨固區應力集中對劈裂應力的影響(計算模型如圖所示)。

通過對模型分析得出以下結論:
1、靠近錨具附近0.1h~0.2h處是壓應力區,混凝土雙向受壓。
2、離開錨具0.3h~0.4h處存在著與預應力筋相垂直的拉應力區。拉應力最大值約在離開錨具0.3h~0.4h位置,拉應力圖形呈梭形。
3、拉應力即劈裂應力,其最大值可按如下經驗公式計算:
σmax=(0.46β2-1.3β+1.1)N/bh ------------(Mpa)
拉應力的合力為:
S=(0.4β3+1.5β2-1.57β+0.71)N----------(N)
4、拉應力的圖形和部位同裂縫的方向、部位和形狀基本吻合。
5、當預應力梁采用自錨時,應力圖形不變,其數量比采取表面錨具高約30%。
6、直接影響這種應力的因素是張拉力N及錨板集中系數β(即錨板高度和梁高之比,亦稱為荷載集中系數,β=a/h)。該值越小,劈裂應力越高,即錨具越集中,劈裂應力越高。上述簡化計算的公式適用于0.3≤β≤0.7的范圍。
7、預應力孔道的存在對應力分布沒有多大的影響。
對于先張法施工的高強鋼絲預應力梁,梁斷面較高,張拉機具控制應力亦較高。因此,沿梁高離開預應力筋一段距離,靠近中軸線附近,在梁端面上出現拉應力σy 常引起端頭水平裂縫,即端面裂縫。裂縫一般位于荷載的上部區域,大體與荷載平行。該裂縫的數量很大,幾乎占整個工程構件數量的80%以上。關于這種裂縫,根據我國曾經進行的研究,通過20余根梁的模擬試驗,建立了端面最大拉應力的計算公式:
σymax=kσ0
上式中σ0為梁端橫截面上平均壓應力;σ0=N/A(A為梁端橫截面積;等于bh);k為應力系數。在工程中經常遇到的情況下,k值可近似表達為:
k=1/(18(e/h)2+0.25) ---------e為集中力的偏心距。
裂縫產生的位置c(即裂縫與梁底面的距離):
c=(eh)1/2
梁的抗裂性驗算,必須滿足以下要求:
σymax≤γRt
其中,Rt為混凝土抗拉強度;γ為塑性系數(一般取1.7)。

3 張拉裂縫的控制措施
由力學模型的分析可知,預應力鋼筋混凝土梁的張拉裂縫是一個較復雜的問題,它涉及到設計梁體的構性、預加應力、混凝土的材性和施工環境等諸多方面因素。下面針對預應力鋼筋混凝土梁的特點,提出以下控制措施:
1、 設計方面
主要原則就是減少劈裂應力和端截面的平均壓應力。
⑴ 設計上應盡量減少預應力束在梁端的偏心程度,即增大e/h。因為開裂荷載與e/h接近于平方關系。
⑵ 降低預壓應力,即減少張拉應力或增大梁端面的寬度。對先張法構件,在保證支座錨固要求的前提下,可將部分預應力鋼筋在梁端部區域做成無粘結力筋。
⑶ 對錨固區位置及其集中程度作優化設計,張拉程序也應作嚴格規定,保證分階段均勻加載。
⑷ 在劈裂應力區增配鋼筋,如內部已設有構造筋,出現裂縫后逐漸穩定,則一般不降低承載力。在梁體端部增加抵抗橫向拉力的鋼筋網片,以控制端面裂縫(見下圖)。
⑸在設計上本著滿足施工工藝的前提下,盡量進行混凝土配合比的優化設計。電動油泵
2、施工方面:
主要原則就是保證混凝土質量的可靠性和穩定性。
⑴ 在施工過程中要注意嚴格控制混凝土原材料的質量,特別是骨料含泥量(我國砂、石標準對含泥量的限制較寬松,對裂縫控制不利)應盡量減少,因為含泥量的增加使混凝土抗拉強度大幅度降低。
⑵ 加強施工管理,嚴格控制混凝土配合比,加強混凝土的養護工作。
⑶ 混凝土澆注中振搗應密實,在施工條件允許的情況下,宜進行二次振搗,以改善混凝土強度,提高抗裂性。
⑷ 在張拉施工中,應嚴格按設計程序進行張拉,并嚴格控制張拉力。
⑸ 盡可能在混凝土強度達到90%以上或更高之后,再進行張拉施工,以盡量提高張拉時的混凝土強度,減少非主要因素影響。
4 結語
雖然張拉裂縫問題是個比較復雜的問題,但只要采取有效的控制措施,一般也不會出現較大問題。在設計上,對計算模型應考慮各個因素反復驗算,在此基礎上進行優化設計。在施工中,應以預防為主,進行裂縫的控制。對于已經產生的寬度大于0.2mm的有害裂縫,應“對癥下藥”進行及時修補。總之,只要設計考慮周全、嚴格控制施工質量,是可以實現對張拉裂縫的有效控制的。
值得一提的是,本文所論述的是在預應力張拉這一特定施工過程中出現的裂縫,它屬于“早期裂縫”的范疇。而在張拉施工過程中,因其他因素影響也會出現一些其他性質的“早期裂縫”。在一些大型橋梁工程的建設中,預應力預制梁等大型構件預制后因露天堆放,構件承受不均勻收縮而產生表面的溫度裂縫和收縮裂縫。此類裂縫是由變形變化引起的裂縫。可以通過科學管理,對預制構件加強維護保養工作,對此類裂縫進行控制,在這里本文不再論述。
 

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